稳定同位素样品取样方法讲座大纲

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1、稳定同位素样品取样方法讲座大纲林光辉陈世苹中国科学院植物研究所北京100093第一部分固体样品采集1植物水分利用效率的研究：取样部位：叶片测定指标：d13C基本原理：d13C分析是评估C3植物叶片中细胞间平均CO2浓度的有效方法。根据Farquhar等(1982)，植物的d13C值可由下式来表示：d13Cp=d13Ca-a-(b-a)×Ci/Ca式中，d13Cp和d13Ca分别为植物组织及大气CO2的碳同位素比率，a和b分别为CO2扩散和羧化过程中的同位素分馏，而Ci和Ca分别为细胞间及大气的CO2浓度。可明显看出，植物的d13C值与Ci和Ca有密切的联系。植物组织的d

2、13C值不仅反映了大气CO2的碳同位素比值，也反映了Ci/Ca比值。Ci/Ca比值是一重要的植物生理生态特征值，它不仅与叶光合羧化酶有关也与叶片气孔开闭调节有关，因而Ci/Ca值大小也与环境因子有关。另一方面，根据水分利用效率的定义，植物水分利用效率也与Ci和Ca有密切的联系，这可由下列方程式中看出：A=g×(Ca-Ci)/1.6E=g×ΔWWUE=A/E=(Ca-Ci)/1.6ΔW式中，A和E分别为光合速率和蒸腾速率，g为气孔传导率，而ΔW为叶内外水气压之差。这样，d13C值可间接地揭示出植物长时期的水分利用效率：WUE=由于植物组织的碳是在一段时间（如整个生长期）内

3、累积起来的，其d13C值可以指示出这段时间内平均的Ci/Ca值及WUE值。注意事项：²阳生叶片；²光合活性强的叶片（避免新生和衰老叶片）；²比较不同种或不同地区植物的水分利用率时应注意大气CO2本底的d13C值与气候和水分条件是否接近。特别是在森林生态系统中，植物叶片d13C值存在明显的冠层效应，即愈接近森林地表，植物叶片的同位素贫化（isotopicdepletion）效应愈明显，产生这一效应的原因主要有两个：一个是林冠内部形成的光强梯度，光强下降导致较高的Ci/Ca；第二是林下植物和土壤呼吸释放含有较低13C的CO2。前处理：尽可能立即烘干；测定前要粉碎过60－80

4、目筛难题：高大乔木取样；地理跨度很大或气候条件差异明显的地点间的比较2植物光合类型的判定取样部位：叶片测定指标：d13C基本原理：植物光合作用是自然界产生碳同位素分馏的最重要过程。目前大气CO2的d13C值为8‰左右。大气CO2经气孔向叶内的扩散过程、CO2在叶水中的溶解过程，以及羧化酶对CO2的同化过程，均存在由显著的碳同位素效应（Farquharetal.,1989）。而且，不同光合途径（C3、C4、和CAM）因光合羧化酶（RuBP羧化酶和PEP羧化酶）和羧化的时空上的差异对13C有不同的识别和排斥，导致了不同光合途径的植物具有显著不同的d13C值。在陆生植物中，C

5、3植物的d13C值由-20‰到-35‰（平均为-26‰），C4植物由-7‰到-15‰（平均为-12‰），而CAM植物由-10‰到-22‰(平均为-16‰),因此d13C值可用来鉴别植物的光合途径。注意事项：阳生叶片；光合活性强的叶片。难题：对一些中间类型或CAM光合途径兼有的物种的判断比较困难3植被变迁取样：植物叶片或植株、土壤、花粉粒、动植物化石等测定指标：d13C基本原理：不同光合类型植物的d13C值之间存在很大差异，土壤有机质、花粉粒以及动植物化石d13C值中包含了不同地质年代的植被光合类型等方面的信息，如土壤有机质是由分解的植物残体逐渐转化和积累起来的，所以土壤

6、有机质同位素组成与其上的植被同位素组成有直接的关系，因此可以用来判断植被的变迁，主要是C3/C4植物的构成比例。哺乳动物牙齿的釉质层，特别是食草动物的食物同位素组成比较规律和稳定，所以牙齿化石釉质的稳定同位素分析对于判断古气候变化非常有用。注意事项：植物取样同上；土壤根据具体情况取不同深度的样品，浅表土壤尽量划分的细些，如0-2cm,2-5cm,5-10cm等，最表层土壤容易受到人类和生物活动的干扰，所以一般表土样品采集地表下2-3cm的土壤，此层土壤中的有机质组分经过了长时间的分解，达到了稳定。前处理：植物样品处理同上；一般土壤样品需要研磨过80-100目筛，如果是碱

7、性土壤需要酸化，即用过量的稀释HCl（2mol/L）处理土壤样品24小时，以除去土壤中的碳酸盐。去除土壤中碳酸盐主要是因为土壤中的碳酸盐不仅容易受成岩作用影响，而且这些碳酸盐从形成起直到今天一直在与地层中的CO2气体反应，因此这种来源的同位素分析很难真正反映地质历史时期的气候状况。难题：此方法只适于原始与现代植被类型间d13C差异较大的地区，如由C4草原转变为C3灌丛；由C3草原转变为C4植物为准的农田（玉米、甘蔗等）。当分析花粉粒、动植物化石样品时常需要特殊的仪器（样品量太小）。而对化石材料分析的很大困难应该是如何准确确定它所处的地质年